La solution OPAL-RT et NI contribue à la conception de systèmes de recharge rapide en courant continu pour véhicules électriques destinés à la route transcanadienne

L'entreprise

Le Centre for Applied Power Electronics (CAPE) de l’Université de Toronto, fondé par le Dr Reza Iravani, est un centre de recherche de premier plan spécialisé dans les systèmes avancés d’électronique de puissance et l’intégration au réseau électrique. En partenariat avec eCAMION, une entreprise de stockage d'Énergie s basée à Toronto, le CAPE a mené un projet ambitieux financé par le CRSNG et TargetGHG (2,4 millions de dollars) visant à mettre en place une infrastructure nationale de recharge rapide pour véhicules électriques le long de la route transcanadienne — l'une des plus longues autoroutes au monde, avec ses 7 821 km.

Les défis

• Contraintes de capacité du réseau électrique : les réseaux électriques traditionnels ne sont pas en mesure de faire face aux pics d'Énergie s soudains et massifs nécessaires pour recharger rapidement plusieurs véhicules électriques simultanément en 20 à 30 minutes (recharge de niveau 3).
• Sécurité et risques liés à la haute tension : le développement et les essais de composants électroniques de puissance pour convertisseurs haute tension et à fort courant de 60 kW, réalisés directement sur du matériel physique, présentent des risques importants en matière de sécurité et entraînent des coûts élevés.
• Commande complexe à plusieurs étapes : le système nécessitait deux séquences de charge distinctes (du réseau vers la batterie et de la batterie vers le véhicule électrique) avec des chargeurs montés en série, des contrôleurs locaux et un système de contrôle de supervision.
• Délai de développement serré : le projet exigeait la conception, la configuration, la mise au point et la certification d’un prototype de convertisseur de qualité commerciale en moins de deux ans.

La solution OPAL-RT

CAPE et eCAMION ont mis en place un processus de simulation combinant OPAL-RT et la technologie HIL/RCP de National Instruments :

• Boîte à outils d'électronique de puissance basée sur FPGA (eHS): utilisation de la boîte à outils eHS d'OPAL-RT pour la simulation en temps réel et ultra-rapide sur FPGA du cœur du convertisseur électronique de puissance et des transformateurs haute fréquence.
• Simulation HIL (HIL) Essais : connexion du modèle en temps réel de l'électronique de puissance eHS à un contrôleur embarqué NI cRIO-9082 réel afin de valider en toute sécurité les algorithmes de contrôle locaux et d'interface avec le réseau.
• Prototypage rapide de contrôle (RCP): alternance itérative entre simulation hors ligne, simulation HIL en temps réel et RCP afin d'optimiser les paramètres de contrôle et les stratégies de commutation douce avec décalage de phase.
• Interfaçage matériel transparent : validation de la topologie du convertisseur CC-CA-CC isolé à 10 kHz dans des conditions de fonctionnement réelles avant la fabrication du prototype physique.

Les résultats

Le projet DGCC a permis de démontrer avec succès la nouvelle génération de gestion du réseau :

• Accélération de la mise sur le marché : conception, fabrication et certification d’un prototype de chargeur rapide à courant continu de 60 kW entièrement fonctionnel en moins de deux ans (janvier 2018 – juin 2019).
• Certification réglementaire : La conception finale du convertisseur a obtenu l'ensemble des homologations de sécurité UL et ESA.
• R&D haute tension à risque réduit: l'utilisation de la simulation eHS en temps réel a permis de réduire considérablement les coûts de développement et d'éliminer les risques liés à la sécurité inhérents aux essais sur des prototypes physiques à haute puissance.
• Optimisation des performances du convertisseur de puissance : mise en œuvre d'une commutation en douceur grâce à un contrôle par déphasage et à une fréquence de commutation de 10 kHz, ce qui a permis de réduire considérablement la taille des composants magnétiques et des filtres.
• Impact environnemental : Le réseau de bornes de recharge rapide le long de la route transcanadienne devrait permettre de réduire les émissions de carbone de 0,7 million de tonnes au cours de ses cinq premières années d'exploitation.

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